文摘

摘要本研究主要探讨大跨度悬钢的动态性能空间frame-glass复合地板(SSSF-GCF)。环境振动和人为地板的振动实验测量来确定垂直振动动态特性和评估可服务性的地板上。尽管垂直动态特性基于全球的地板结构的简化有限元(FE)模型吻合较好通过试验模态分析与确定,全球大大简化有限元模型低估了垂直振动振幅的地板由于两层之间的耦合效应。因此,一个等价的地板系统的本地FE模型提出了通过调整和更新的垂直刚度interstory挂柱子。结果表明,相当于当地FE模型可以预测的动态特征和人类活动导致的振动响应。最后,阻尼比的影响在地板的加速度响应数值演示验证本地有限元模型。

1。介绍

建筑材料和技术的发展支持各种大跨度复合地板的潜力应用于建筑结构,如steel-timber复合地板(1,2),核心筒复合地板(3- - - - - -5),钢甲板复合地板(6,7),冷弯钢复合地板(8,9),空间钢框架混凝土板复合地板(10),和其他类型的混合动力车复合地板(11- - - - - -14]。目前,这些复合地板已经广泛应用于体育馆(15)、办公室(16),和机场休息室17),这可能是倾向于人为由于其低固有频率和低振动阻尼比(18- - - - - -20.]。显然,一个复杂的有限元(FE)的地板和准确的人为负载仿真模型(即。、行走、跳跃、人群活动等)地板的振动可服务性评估至关重要。

使用复合结构是一种常见的方式接近大跨度楼板结构,如混凝土与钢复合地板空间网格(10)和支持beam-concrete复合地板与创新电缆(20.]。玻璃制造行业的推广,可持续性和可重用性的玻璃也被改进21,22]。采用steel-glass复合地板在大跨度参观建筑已成为流行,例如大峡谷人行天桥(23和张家界玻璃桥24]。自从steel-glass瘦小的复合地板更轻,比传统的混凝土层(25- - - - - -27),应用steel-glass复合层结构更容易受到人为活动。然而,在广泛的动态研究相比其他类型的复合地板,很少有人注意的动态性能steel-glass复合地板在先前的研究。

在建模阶段,一个可靠的有限元(FE)模型对振动可服务性评估至关重要。例如,多层结构中的贝叶斯模型可以解决问题的“量”来衡量信息小于所需的“量”的信息识别不确定参数(28]。此外,罗伯逊et al。29日]表明,微小的变化在全球模型有一个可观的利润率的性能通过调查在ANSYS被实木的地板上。Costa-Neves et al。7)提出了一种多层全球FE模型8部分,之间的耦合现象,提出了不同的故事。郭等人分析了½大小五层楼的建筑物的动态刚度矩阵方法计算效率和促进预测振动响应与满意的准确性(30.]。你们等人整个系统分成了三个局部域分析板和多层弹性地基之间的交互(31日]。这些结果表明,有限元模型需要不断更新,例如,白和任更新3 d模型通过环境测试结果(32]。朱et al。33)提出了玻璃幕墙的弱约束效应。然而,interstory关系在一个暂停悬臂结构与传统结构不同。应该注意的是,连接采用悬浮结构的有限元模拟不当可能会导致不准确的预测振动响应(34]。

本研究旨在探讨大跨度悬钢的动态行为空间frame-glass复合地板(SSSF-GCF),这是用于访问层Mingtang展厅在洛阳,中国。首先,介绍了建筑结构部分的轮廓2和全球结构的简化有限元模型建立部分3。随后,测量的动态特征和人类活动导致的振动响应SSSF-GCF通过现场振动测试与预测全球有限元模型的结构部分4。方法对地板的等效当地FE模型提出了准确的人为响应分析部分5。此外,在部分进行进一步的讨论6。最后,本研究的主要发现是中突出显示部分7。

2。建筑结构的轮廓

本文侧重于动态行为SSSF-GCF的洛阳民族遗产公园,中国。钢铁frame-glass复合地板(如图1(一))设计暂停了悬臂施工,减少传统的结构的影响。Mingtang展厅主要是由两层组成,并且每个地板看起来像一个对称正则八角形平面(如图1 (b)和1 (c)。上层是钢桁架结构,一个开放的八角形的孔4.059(边长)是在较低的层的中心。较低的层作为site-visiting地板(470米²)大跨度为50.9米。Mingtang大厅的主要结构是由八斜方形框架柱的高度和厚度是800毫米和25毫米,分别。钢空间frame-glass复合地板连接到钢桁架的上层24挂柱子的管段300 mm×16毫米(外部直径×厚度)。整个由Q345钢结构组件。振动的主要研究领域包括钢框架和玻璃板块,形成了一个钢空间frame-glass复合地板。钢H型梁是利用空间钢框架。在钢铁领域框架,利用钢H型梁的高度,宽度、厚度,和法兰宽度是150毫米,300毫米,6.5毫米,和9毫米。空间钢框架,玻璃板是由传统的横截面厚度的钢化玻璃12毫米,沿着钢线性支持空间框架。板和框架之间的差距是装满橡胶连接。外的一部分钢空间frame-glass复合地板由100毫米厚的预制钢筋混凝土板和95毫米厚的装饰表面。 The steel space frame and glass composite floor are connected to the reinforced concrete slab by welding. The reinforced concrete slab is auxiliary supported by sixteen inclined bras. The inclined bars adopt a square section steel beam with a height of 400 mm and a thickness of 20 mm, respectively. All columns including hanging pillars are connected with other structural parts by bolt-welding joints.

3所示。有限元建模的结构

3.1。全球简化有限元模型

图2展示了全球的简化有限元模型结构,成立于通过MIDAS创软件(版本7.1.2)。地板是使用板建模元素的转动自由度是克制。由于玻璃地板的厚度是12毫米,对结构的竖向刚度的影响可以忽略。因此,几何和力学性能相当于节点上的负载钢框架的有限元模型。一些组件是使用6自由度梁单元建模,如斜框架列,倾向于支持酒吧、钢网架,挂柱子。边缘限制和约束,即。,the six freedom degrees of the bottom nodes of the inclined frame column were constrained. Considering the behavior of the structural connections presented in the investigated structural model, all connections of the frame-to-hanging pillar and truss-to-hanging pillar were set as rigid joints. As a suspended steel space frame-glass composite floor, the hanging pillars are the main connection components, which should be paid more attention to.

3.2。动态特性分析结果

通过全球简化有限元模型中,前三个垂直建筑物的频率是6.00赫兹,12.46赫兹,和14.23赫兹,分别给出模式形状图3。可以看出两个不同层之间的耦合现象发生,这可能是由于强烈的联系通过挂柱子。因为人类行走的振动(1.8 Hz - 2.4赫兹),只有第一个垂直频率(6.00赫兹)可能会导致第三谐波效应,容易振动适用性问题。此外,相对应的最佳观看区最敏感的振动领域第一个垂直模式形状点在图13 (b)。因此,更要注意地板的第一垂直振动模式。

4所示。现场振动测试的地板上

4.1。实验程序

根据文献[15,35,36,37),human-structure交互的原理图呈现在图4和human-structure交互的效果(HSI)系统是相对于人类之间的质量比和结构。图4介绍了human-structure交互的原理图,human-structure交互(HSI)系统的影响是相对于人类之间的质量比和结构。质量比越大,越显著。效果可以当比率很小可以忽略不计。考虑到SSSF-GCF有一个相对较小的结构质量对行人、恒生指数现象应该适当调查。进行了动态特性测试在环境激励获得结构的固有振动特性。人为振动敏感行走条件(21]。根据模式的第一模式和测试环境,振动适用性测试各种行走的条件下进行。介绍了这些测试的具体描述表1和图5。

结构面是完全对称的按照以下原则测点布局。因此,对称点可以执行动态特性。测量的点在十字路口节点轴①,②,⑤、⑥挂柱子。主框架节点轴①和②轴之间也安排测量分。测量从1到15点命名,并绘制在图6。

4.2。动态特性的结果

4.2.1。准备固有频率

本文更关注地板的垂直振动。因此,只有垂直速度都记录了每种情况下的反应。地板的自然频率直接获得通过快速傅里叶变换(FFT)。图7说明了测量几个点的幅频曲线。首先测量垂直频率和阻尼率表2。结构动态属性的值从单一的测试数据,计算固有频率是单独的计量点的平均值。阻尼比确定了从最不利位置的玻璃地板(测量点15)。预测第一垂直频率与全球简化有限元模型(f1 = 6.00赫兹)同意与测量结果(6.09 -6.12赫兹)。此外,可以看出,随着人数的增加,第一纵向模态频率降低。

4.2.2。模式的形状

地板的模式形状是通过挑选的平均峰值归一化功率谱密度(ANPSD) [38在频域。图8展示了第一个垂直模式的形状测量上的地板和ANPSD值点。的最大振幅的第一振型地板在中心孔的边缘,逐步减少从中心到边缘的网格框架。

模态保证标准(MAC) (32)被定义为定量评估不同的振动模式。与方程(MAC值计算1)是一个重要指标来表示形状的相关性不同的振动模式。使用模态保证标准,MAC值之间的第一个垂直模式的形状全球有限元模型和测量模式形状是99.6%。第一垂直频率和模式在全球获得的形状简化有限元模型有一个很好的协议确定的实验。可以看出,全球简化有限元模型可以预测第一垂直振动模式。 在哪里是我形状和th实验模式是我分析模式的形状。

MAC值在0和1之间变化,0表示没有相似性和1显示模式的形状是一样的。

4.2.3。模态阻尼比

如表所示2,第一个垂直地板的模态阻尼比确定的self-spectrum FFT semi-power带宽方法是2.36%。表3揭示了影响行人的数量和行走功能的结构阻尼比。阻尼比预计的数量随行人和他们的行走功能。当人类和结构之间的质量比小,human-structure交互效应可以忽略39,40]。因此,模态阻尼比2.36%的可以选择的动态参数的有限元模型模拟。

4.3。人类活动导致的振动结果

人为进行了振动测试来评估地板的振动在不同条件下行走。在现实中,人类引起的振动响应是复杂的和不可预见的41- - - - - -43]。振动可服务性评估,考虑到人类活动的随机性,均方根加速度响应(44)可以进行索引。

4.3.1。实验结果

图9情节测点的加速度时程曲线15不同工作条件下。最大的价值10 s均方根加速度(10 s-rms) (T= 10 s)从四个场景下的时程曲线达到18.6毫米·s⁻²13.9毫米·s⁻²5.0毫米·s⁻²,7.6毫米·s⁻²,分别。当许多人随机行走,一步频率和相位角的每个人可能不同,因此垂直激励在地板上不能产生协同放大效应。根据ISO标准,测量10 s-rms加速度反应四个场景都是在ISO阈值(20.]。

4.3.2。数值结果

人的行走负载可以被看作是一个周期激励和等效行走力表达式中可以设置为傅里叶级数方程(2)[45]。动态负载因素(dlf)通过设计准则在不同的国家或国际组织略有差别,如IABSE [46)三种谐波组件和出版社(47与四个订单谐波组件)。对于一个极端不利预测,行走装载2.00赫兹的频率步应用波腹的重要模式的形状。走路的时程曲线加载模型如图10,和响应在这个负载模型图所示11。 在哪里是静态重量(实际为750 N);是时间;的动态载荷因素吗我th秩序;IABSE:= 0.4,= 0.1,= 0.1;出版社:= 0.5,= 0.2,= 0.1,= 0.05;的频率是我阶负载(= 1/3×6.00 Hz = 2.00赫兹);和相角的吗我阶负载(= 0,=π/ 2,=π/ 2,=π/ 2)。

模型的阻尼比暂时设置为2.36%,和三个加载情况下加载模型。单层的加载模型(点1和点2绘制在图2),另一个是在两层(分1和2)在同一时间。最大计算均方根(RMS)加速度表中列出4。通过全球简化有限元模型,获得的最大结构加速度可能不是通过加载单层。根据两种加载模式的结果,可以推断,出版社的加载模型可以得到更大的反应。

4.3.3。实验和数值结果的比较

与测量结果相比较,计算均方根加速度被低估了,这可以解释为两层之间的耦合现象的影响。这是观察到全球结构的简化有限元模型无法模拟实际的连接状态。虽然全球简化有限元模型的动态特性与实测结果吻合良好,全球简化有限元模型无法评估地板的振动可服务性。因此,一种新的有限元建模方法将获得更好的预测的振动可服务性SSSF-GCF在下一节。

5。当地层成型的有限元模型

5.1。建立方法

尽管全球简化有限元模型的优势为表现的结构特性,模拟响应相比,低估了在人类引起的振动实验。还发现interstory耦合振动是夸大了全球简化有限元模型,这可能归因于的影响模拟的不同层之间的连接结构。发现不同层之间的耦合振动SSSF-GCF模拟响应,本部分试图构建一个等效有限元局部模型的元素单位节中描述的一样3.1。等效局部模型建立的步骤在图12。

5.1.1。提取

单层FE模型(SSSF-SCG)是整个结构的重点部分从全球简化有限元模型。

5.1.2中。边界条件

六个自由萃取部分的边缘节点的度约束根据萃取部分的实际连接约束(SSSF-SCG)。

5.1.3。节点重新定义

24节点连接24挂柱子重新定义为弹性支持。在弹性支承刚度的方向有关,SDy, SRx, SRy、和SRz被定义为无限,只有垂直刚度SDz可以调整。

5.1.4。调整参数

当考虑的原则一致的频率、弹性支座的竖向刚度调整到2460 kN / m。这个模型被定义为一个等价的局部有限元模型一个其中第一个垂直频率是一样的全球有限元模型。当考虑模态质量和垂直第一频率模式,57公斤质量被添加在每个挂柱节点,和弹性支座的竖向刚度调整到83500 kN / m。通过这种方式,一个等价的局部有限元模型B被定义。

5.2。相当于当地模型的动态特性评价

第一个模拟垂直模式相当于当地的形状模型如图13。MAC值等效局部模型之间一个(相当于当地模型B)和测量的99.3% (99.2%)。MAC值等效局部模型之间一个(相当于当地模型B)和全球有限元模型是98.3%(98.2%),分别为。这些MAC值表示,第一个垂直模式等效局部有限元模型的形状类似于测量结果。也可以看出,相当于当地的有限元模型一个有一个更好的协议相当于当地FE模型B相比,测量第一垂直模式的形状。

5.3。人为相当于当地FE模型的振动响应的评估

步行荷载模型曾在这个中心是应用在3点(在图13),10 s-rms加速度值达到18.0毫米/秒²相当于当地的有限元模型一个当它达到2.3毫米/秒²相当于当地的有限元模型B。仿真结果之间的比较由不同的模型显示在图14。相当于当地模型的模拟值B与测量值相比有很大差异。垂直均方根加速度等效局部模型一个是一样的结果。因此,相当于本地FE模型修改刚度的垂直吊柱是可行的评估振动悬浮复合地板的使用可靠性。

它还可以表明,等效局部模型一个可以反映地板振动可服务性的真正水平。相当于当地模型B全球简化有限元模型相似,这表明全球简化有限元模型可能会夸大不同层之间的耦合模态质量的影响。

6。阻尼比的影响在地板的加速度响应

由于的存在之间的橡胶层玻璃板和钢框架,模态阻尼比的SSSF-GCF发现有点高于传统钢复合地板结构(1.0% - -2.0%)48]。先前的研究[49- - - - - -51]证明了阻尼比有一个伟大的对地板的振动响应的影响。相当于当地FE模型中,阻尼比的影响的加速度响应SSSF-GCF调查。如图15均方根加速度明显减少,增加结构的阻尼比。

7所示。结论

作为一种新型的楼盖,暂停钢空间frame-glass复合地板(SSSF-GCF)提出了能满足大跨度空间的要求。SSSF-GCF垂直动态特性的现场试验获得的。由于的存在之间的橡胶层玻璃板和钢框架,第一个垂直阻尼比SSSF-GCF可以发现有点高于传统钢复合地板结构。游客的观赏区域对应于最敏感的振动区域的垂直模式SSSF-GCF的形状,和第一个垂直频率接近行人的行走频率的谐波。根据现场试验结果,SSSF-GCF的反应在所有条件下都在ISO阈值以下。它可以得出结论,在振动可服务性SSSF-GCF具有良好的动态性能。

全球简化有限元模型来模拟整个悬挂结构。虽然是在良好的协议与第一垂直频率和实验结果,发现的模式形状不同层之间的纵向耦合振动是夸张的在全球简化有限元模型,导致地板的垂直人为低估了加速度响应。因此,一个等价的当地SSSF-GCF成型的有限元模型和更新提出了通过调整垂直挂柱子的刚度。比较结果表明,相当于当地FE模型可以预测的动态特征和人类活动导致的振动响应。因此,相当于当地模型建立方法提出了可以提供一个参考悬浮地板的垂直振动可服务性评估系统。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认金融支持中国国家重点研究和发展计划(批准号2017 yfc0703900)。